A szilárd állapot
A szilárd állapot
A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011
1
A szilárd állapot
Szobahőmérsékleten és légköri nyomáson szilárd halmazállapot létrejöttének feltétele, hogy a szilárd részecskék között olyan nagy legyen a kohézió, hogy a mozgást nagymértékben korlátozni tudja. Ez akkor következik be, ha az anyagi halmazon belül a részecskék elsőrendű kötésekkel (kémiai kötésekkel) kapcsolódnak össze (pl. a fématomok közötti fémes kötés, a sókban található ionkötés valamint a gyémántban a C-atomok közötti kovalens kötés); a halmaz erősen poláris molekulákból áll, és az egyes molekulák tömege sem kicsi; a halmaz apoláris molekulákból áll ugyan de a molekulák tömege igen nagy, és a molekulák elektronfelhője könnyen polarizálható. A szilárd anyagok: önálló alakkal rendelkeznek önálló térfogatuk van összenyomással szemben ellenállók bizonyos határig az alakváltoztató erő hatására nem szenvednek maradandó alakváltozást, hanem az erőhatás megszűnte után visszanyerik eredeti 2 alakjukat
2
A szilárd állapot
A kristályszerkezet
d
d1
2
d3
A kristályok a részecskék szabályszerű egymás mellé rendeződésével alakulnak ki. A kristályrács két szomszédos elemét, ahol az anyagot felépítő részecskék találhatók, rácspontoknak nevezzük.
A kristályrácsot geometriailag is jellemezhetjük, forma, rácspontok távolsága (rácsállandók) szerint. 3
3
A szilárd állapot
Néhány példa különböző kristályrácsra Hatszöges (hexagonális), legszorosabb illeszkedésű rács
Szabályos térben centrált kockarács
Szabályos, lapon centrált kockarács
1958 áprilisában nyílt meg Brüsszelben a történelem egyik leghíresebb világkiállítása, amelynek jelképe, a vasrács felépítését pontosan utánzó Atomium.
A vegyész számára a csoportosításhoz a rácspontok minősége és a rácsot összetartó erő fontosabb szempont.
4
4
A szilárd állapot
1. Az ionrács A rácspontokban pozitív és negatív töltésű ionok vannak.
Összetartó erő: elektrosztatikus vonzás
A nagy elektrosztatikus erő miatt az ionrácsos vegyületek keménysége nagy, olvadás- és forráspontjuk ugyancsak nagy, bár elektromos töltésű részecskékből állnak, szilárd állapotukban a részecskék erős helyhez kötöttsége miatt az elektromos áramot nem vezetik. Ha viszont az ionkristályt megolvasztjuk vagy feloldjuk, az ionok a rácspontokból kiszakadva elmozdulhatnak a helyükről. Ezért az ion vegyületek olvadékai és oldatai vezetik az elektromos áramot. Példa: az ionkötésű vegyületek: NaCl, CaCl2
5
5
A szilárd állapot
2. Az atomrács A rácspontokban kovalens kötésben lévő atomok vannak.
Összetartó erő: kovalens kötés
A kovalens kötés – elsőrendű kötés lévén – igen erős. Ennek az a következménye, hogy az atomrácsos anyagok: rendkívül kemények magas az olvadás- és forráspontjuk. az elektromos áramot nem vezetik.
Példa: az atomrácsban kristályosodó anyagokra: gyémánt, SiO2, ZnS stb.
6
6
A szilárd állapot
3. A molekularács A rácspontokban kovalens semleges részecskék vannak.
Összetartó erő: másodlagos kötések
A másodlagos kötések az elsőrendű kötéshez képest gyengébbek. Ennek az a következménye, hogy a molekularácsos anyagok a többi szilárd anyaghoz viszonyítva: kevésbé kemények alacsonyabb az olvadás- és forráspontjuk. az elektromos áramot nem vezetik. Példa: H2O, S8, P4, nemesgázok (szilárd állapotban), szilárd CO2 stb.
kén
jég
7
7
A szilárd állapot
4. A fémrács A rácspontokban kovalens pozitív atomtörzsek vannak.
Összetartó erő: fémes kötés (közös, delokalizált elektronfelhő)
A másodlagos kötések az elsőrendű kötéshez képest gyengébbek. Ennek az a következménye, hogy a molekularácsos anyagok a többi szilárd anyaghoz viszonyítva: keménységük változó (a Na, K pl. késsel vágható, míg pl. a W, a Cr igen kemény) Egyéb mechanikai tulajdonságaikban is nagy eltérések lehetnek (pl. nyújthatóság, rugalmasság stb.) olvadáspontjuk és forráspontjuk is változó (pl. az alkálifémek és az ólom már a Bunsen-égő lángjában is megolvaszthatók, ugyanakkor a W olvadáspontja 3000 °C feletti) az elektromos áramot jól vezetik Példa: Valamennyi szilárd állapotú fém ilyen szerkezetű.
8
8
A szilárd állapot
Összefoglaló táblázat
Rácspontban lévő részecske
Összetartó erő
Mechanikai tulajdonság
Áramvezetés
Op. fp.
nem
magas
Ionrács
+ és – ionok
Atomrács
kötőállapotú atomok
kovalens kötés
kemények
nem
nagyon magas
Molekularács
semleges részecskék
másodlagos kötések (van der Waals, Hkötés)
puha
nem
alacsony
Fémrács
+ fématomtörzsek
fémes kötés (delokalizált elektronok)
változó
igen
változó
ionkötés kemény, rideg (elektrosztatikus erő)
9
9
A szilárd állapot
Vegyes rácstípus, a grafit A grafit rétegrácsos anyag. Egy rétegen belül 3 elektron kovalens kötést hoz létre három másik szénatommal, és hatszöges hálót képez. Ez tehát atomrácsnak felel meg.
A rétegek között a negyedik elektron delokalizált kötéssel tartja össze a rétegeket így fémes kötést hoz létre. Ez tehát fémrácsnak felel meg. A grafit tulajdonságai is vegyesek. A magas olvadáspont (≈ 3550 oC) az atomrácsra jellemző, az áramvezetés pedig a fémrácsra. Az egyes rétegek könnyen elcsúsznak egymáson, ezért lehet ceruzának használni.
Ceruzahegyből kifaragva… 10
10
